面向新一代多核器件的電源管理技術(shù)

　　摘要

　　現(xiàn)代高頻器件所消耗的電量大約有一半是靜態(tài)電量－漏電與頻率無關(guān)，但與電壓水平相關(guān)，另一半則是動態(tài)電量－基于系統(tǒng)負(fù)載，從而與頻率相關(guān)。由于頻率與電壓水平密切相關(guān)，因此需要較高的電壓水平來驅(qū)動頻率；一般的概念是利用 DVFS－動態(tài)電壓和頻率調(diào)節(jié)。也就是說，當(dāng)系統(tǒng)負(fù)載較低時(shí)，頻率被降低，從而可降低電壓。然而，這種方法只能節(jié)省一定的電量，對負(fù)載變化的反應(yīng)速度較慢，因此也需要更復(fù)雜的系統(tǒng)/板卡解決方案，以不斷適應(yīng)功率和頻率。

　　片上系統(tǒng)尤其是多核器件的優(yōu)勢在于能夠完全打開和關(guān)閉器件的組成部件，以匹配系統(tǒng)負(fù)載。由于在器件內(nèi)部便可完成上述操作，因此不需要如此復(fù)雜的外部電路。然而，在器件內(nèi)打開和關(guān)閉部件過去是一個(gè)緩慢的過程，因此不可行，現(xiàn)在這種情況正在發(fā)生改變。

　　通過新一代高端多核器件，飛思卡爾推出了 SRPG（狀態(tài)保持電源門控）概念。這種技術(shù)在掉電時(shí)不把模塊狀態(tài)存儲到外部存儲器，而是允許每個(gè)觸發(fā)器保存自己的狀態(tài)。因此，整個(gè)內(nèi)核、內(nèi)核子集或其他功能塊可即時(shí)打開和關(guān)閉。 這推出了一個(gè)新的非常有效的執(zhí)行概念，內(nèi)核只在需要時(shí)才運(yùn)行，然后只在可能需要時(shí)執(zhí)行單元。

　　本文簡要介紹了現(xiàn)代高端電源管理，以及這種技術(shù)如何與工藝技術(shù)和設(shè)備設(shè)計(jì)相關(guān)。然后展示了如何通過利用 SRPG 進(jìn)一步改進(jìn)新一代多核器件，以及設(shè)備負(fù)載水平感知等其他 SoC 技術(shù)自動打開和關(guān)閉內(nèi)核。

　　引言

　　隨著半導(dǎo)體器件變得更加強(qiáng)大，因此可能消耗大量的電力，電源管理已經(jīng)成為一個(gè)越來越重要的主題。與十年前相比，頻率的競賽已經(jīng)導(dǎo)致事實(shí)上的電源上限和通用的高頻。此外，多核和集成度的提高產(chǎn)生了功能非常強(qiáng)大的器件，使功耗管理變得至關(guān)重要。在手機(jī)等手持設(shè)備領(lǐng)域也如此，此類設(shè)備應(yīng)在高性能激活狀態(tài)和低功耗的待機(jī)狀態(tài)之間進(jìn)行切換。但在服務(wù)器中心也如此，在服務(wù)器中心每個(gè)區(qū)域和/或瓦的性能的重要性日益增加。散熱和功耗以及空間等成本比單個(gè)器件的最大性能更加重要。多核如今已成為現(xiàn)實(shí)，在兩個(gè)中等性能的器件之間分割應(yīng)用與在高性能器件之間分割的難易程度相當(dāng)。基本物理通常為兩個(gè)中等性能的器件比高端器件提供更高的每瓦和每面積匯聚性能，假定應(yīng)用可正確地在內(nèi)核/器件之間進(jìn)行分割。

　　在這里，我們將展示現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的功耗的基本屬性，然后介紹了可包含在設(shè)備設(shè)計(jì)中用于降低功耗的被動節(jié)電功能，這些都很容易理解，但通常不要求軟件具體使用它們。然后，我們將討論需要軟件與硬件合作以充分利用的主動節(jié)電功能。最后將介紹飛思卡爾 QorIQ 器件提供的功耗模式以及它們所利用的功能。

　　電源基礎(chǔ)知識

　　動態(tài)功耗的主要公式為： P = C V2 f

　　其中 P 代表功耗，單位為瓦，C 代表所切換的設(shè)備的電容，V 代表電壓，f 代表切換頻率。如公式所示，功耗隨著頻率呈線性增長，但與電壓呈平方增長。然而，采用特定工藝技術(shù)的器件的最大頻率取決于電壓有多高，信號被驅(qū)動的程度。增加電壓可允許更高的頻率，但同時(shí)也會大大增加功耗。這也是停止大多數(shù)增加頻率的做法的根本原因之一。

　　功耗的直接影響是明顯發(fā)熱。雖然功耗本身是有成本的，但主要問題是熱效應(yīng)，因?yàn)楦鶕?jù)使用情況需要散熱片、風(fēng)扇、空調(diào)等冷卻設(shè)備。而熱度增加也影響額定電容，增加功耗。這種相關(guān)性是不穩(wěn)定的，可能導(dǎo)致功率快速增加/熱增加，除非熱被轉(zhuǎn)移，或功耗降低（通過抑制性能）。重要的是需要了解器件功耗隨溫度變化有何差異，低結(jié)溫 Tj 25C 和高結(jié)溫 105C 之間的差異可能導(dǎo)致功耗顯著增加，如圖 1 所示。重要的是，如果需要的話板卡電源和熱設(shè)計(jì)可以應(yīng)對溫度升高，但同樣重要的是需要了解低溫下的功耗將大大低于器件設(shè)為最大功率時(shí)的功耗。因此，在確保低溫的情況下使用器件可降低功耗。例如，許多環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)允許縮減功能，即如果環(huán)境溫度高于正常狀況或風(fēng)扇破裂，風(fēng)速降低，則降低頻率或減少活動內(nèi)核的數(shù)量。借助新的縮減式冷卻方式來降低器件的功耗可使系統(tǒng)回到熱/功率穩(wěn)定狀態(tài)。

　?。▓D字）功率

　　圖1：功耗如何隨溫度變化而改變。

　　現(xiàn)代高頻器件所消耗的電量大約有一半是靜態(tài)功率- 漏電與頻率無關(guān)，但與電壓水平有關(guān)，而另一半則是動態(tài)功率 – 基于系統(tǒng)負(fù)荷，因此與頻率及電壓有關(guān)。靜態(tài)和動態(tài)功率之間的合適比率取決于器件的設(shè)計(jì)選擇數(shù)量，如工藝技術(shù)、晶體管的選擇和布局。但在包含芯片的各個(gè)器件之間和芯片之間也存在自然的工藝差異。漏電較多的晶體管功耗一般也更高，以允許更高的最大頻率。因此，把器件設(shè)置為高速、高功率，或低速、低功率比較常見。然而，器件之間依然存在差異，當(dāng)設(shè)計(jì)系統(tǒng)特性時(shí)，確保它足夠強(qiáng)大以處理最大功率器件非常重要。同樣重要的是需要了解芯片供應(yīng)商提供的功率數(shù)通常指那些功率最大的器件，而一個(gè)典型器件擁有較低的功耗。典型功率器件和最大功率器件之間的功耗可能相差兩倍或更多。

　?。▓D字）內(nèi)核靜態(tài)；內(nèi)核動態(tài)；系統(tǒng)動態(tài)；系統(tǒng)靜態(tài)

　　圖2：多核器件不同子部件的靜態(tài)功耗和動態(tài)功耗差異。

　　板卡和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員通常關(guān)注兩種情況：功率最大時(shí)- 電源設(shè)計(jì)應(yīng)考慮瞬時(shí)（子時(shí)鐘周期時(shí)標(biāo)）最高水平。熱最大值時(shí) - 熱設(shè)計(jì)應(yīng)考慮較長時(shí)間間隔（從數(shù)秒到數(shù)分鐘）內(nèi)的平均功耗。決定器件功耗的基本參數(shù)是電壓和頻率，其中重要的是觀察最大抖動，電源設(shè)計(jì)可能有最大抖動，熱設(shè)計(jì)可能有短期平均值。但高端器件通常具有自動節(jié)電功能，我們將在后面討論這個(gè)功能，這樣由于器件利用率降低而達(dá)到節(jié)電的目的。例如，內(nèi)核功耗往往與利用率成正比，帶靜態(tài)補(bǔ)償，而且DDR內(nèi)存在利用率為零時(shí)，幾乎不消耗功率。低利用率還可以在動態(tài)電平和較低的電壓電平時(shí)關(guān)閉各個(gè)模塊，以降低靜態(tài)功耗。

　　看功率數(shù)時(shí)，需要考慮以下參數(shù)：結(jié)溫、器件利用率水平（包括高速緩存的使用率）以了解內(nèi)核效率、電壓 - 平均值或平均值加最大抖動、內(nèi)核和子系統(tǒng)頻率、I/O配置以及群體器件的使用功率- 典型功率還是最大功率。

　　被動節(jié)電

　　降低功耗是設(shè)計(jì)半導(dǎo)體裝置的一個(gè)重要組成部分?？墒褂迷S多先進(jìn)技術(shù)來降低功耗，而無需任何或僅需非常有限的活動系統(tǒng)和軟件感知。在本節(jié)，我們將討論時(shí)鐘門控、打盹模塊和電壓 ID。

　　時(shí)鐘門控

　　由于一個(gè)模塊的動態(tài)功耗取決于頻率，因此我們通過降低頻率或在不使用時(shí)將其完全關(guān)閉就可以大大減少動態(tài)功耗。時(shí)鐘門控技術(shù)是一種常用技術(shù)，在這個(gè)技術(shù)中，一個(gè)模塊的啟用信號關(guān)聯(lián)到本地時(shí)鐘信號。當(dāng)模塊被禁用時(shí)，時(shí)鐘也將被停止，從而消除了動態(tài)功率。時(shí)鐘門控技術(shù)也可用于減少芯片尺寸，從而降低功耗，因?yàn)闀r(shí)鐘停止則無需在模塊內(nèi)啟用信號傳播。

　　時(shí)鐘門控技術(shù)多用于較大的模塊，如內(nèi)核、DDR 控制器、接口、加密單元等，但它也可在模塊內(nèi)使用。例如，通常內(nèi)核運(yùn)行的頻率比系統(tǒng)內(nèi)其他部件的頻率高，因而對動態(tài)功耗更敏感。因此，可以對內(nèi)核中的組件，如浮點(diǎn)單元、矢量處理引擎或單個(gè)執(zhí)行塊實(shí)行門控。子組件時(shí)鐘的啟用和禁用取決于管道中的指令。

　　飛思卡爾已將廣泛的時(shí)鐘門控應(yīng)用于幾代器件，而且將繼續(xù)將其作為產(chǎn)品設(shè)計(jì)工藝的一個(gè)重要組成部分。